超薄薄膜中的声子限制与热输运
介观与纳米尺度物理
2020-01-22 v2
摘要
使用二维晶格动力学计算和玻尔兹曼输运方程，在软系统（伦纳德-琼斯氩）和硬系统（特索夫硅）中研究了厚度小于 10 nm 的薄膜中声子的热输运。该方法使用跨越薄膜厚度的原胞，消除了典型基于三维方法中所要求的有限面外维度相关的近似。执行分子动力学模拟以获得晶格动力学计算的有限温度结构并预测热导率基准。热导率随薄膜厚度减小而降低，直至厚度达到氩的四个原胞（2.1 nm）和硅的三个原胞（1.6 nm）。进一步减小薄膜厚度时，氩的热导率趋于平稳而硅的热导率上升。这一意外行为，我们将其识别为声子限制的表征，是来自低频声子贡献增加的结果，其态密度随薄膜厚度减小而增加。声子模式层级分析表明，限制效应在氩厚度低于十个原胞（5.3 nm）和硅低于六个原胞（3.2 nm）时出现。基于块体声子性质结合边界散射模型的热导率预测未能捕捉低厚度行为。为匹配较大厚度下的二维晶格动力学和分子动力学预测，三维晶格动力学计算需要有限的镜面反射参数，在某些情况下接近 unity。这些发现指出了解释超薄硅膜实验热导率测量的挑战，其中表面粗糙度和原生氧化层影响声子输运。
引用
@article{arxiv.1907.00969,
title = {Phonon Confinement and Transport in Ultrathin Films},
author = {Bo Fu and Kevin D. Parrish and Hyun-Young Kim and Guihua Tang and Alan J. H. McGaughey},
journal= {arXiv preprint arXiv:1907.00969},
year = {2020}
}